34岁的埃里克·索托（Erik Sorto）从颈部以下瘫痪已有13年。然而， 得益于一项开创性的临床试验，他如今能够用意念控制机械臂，平稳地喝下一瓶啤酒。他是首位在大脑中一个被认为负责控制意图的区域植入神经假体的患者。这项技术带来了出人意料的自然动作，并有望用于控制多个机械肢体。
不幸的是，由于疾病或受伤，数以百万计的人失去了感知和活动身体的能力。近年来， 少数几项研究 表明，可以记录这类人群的大脑活动，并利用这些信息恢复其运动能力。研究人员已利用从初级运动皮层——大脑中负责控制运动的一个区域——记录的信号，控制计算机屏幕上的光标等外部设备，甚至控制不同类型的机械臂。
然而，这类设备往往会造成动作延迟、颤抖，这意味着这些脑信号可能并非最佳选择。随着该领域研究不断推进，人们正在探索新的可能性。最新研究测量了大脑后顶叶皮层（被 认为能够表征动作意图）中神经元——脑细胞——的活动，由此实现了更直观的动作，甚至让索托能够玩“石头、剪刀、布”。
解读意图
在选择行动之前，我们必须先有行动意图。对于日常生活中的习惯性动作，例如拿起最喜欢的咖啡杯或拨动电灯开关， 我们的行动意图 发生得如此轻松，且只需几分之一秒，以至于通常不会被我们察觉。
尽管这些意图转瞬即逝、毫不费力，基础心理学和神经科学的大量证据表明，行动意图包含极其丰富的信息，包括期望的结果，以及对感觉和动作的预测。尽管人们普遍认同这些信息有助于控制动作，但这一假设 本质上难以验证。
在这项新研究中，研究人员利用从后顶叶皮层神经元记录的信息，控制计算机界面和视觉显示。研究人员首先使用 功能性磁共振 成像，确定索托大脑中的相关区域。索托在研究开始前10年因枪击而脊髓受伤，因此无法活动或感知手臂、双腿和躯干。这样，研究人员便能观察他在想象伸手和抓握动作时，哪些脑区处于活跃状态。
安装记录仪器后，结果显示，患者能够自主控制单个神经元的活动。其中一些细胞会以显著具体的方式作出反应。例如，索托想象把手移向嘴巴时，某个细胞的活动可能增强或减弱；但当他想象把手移向下巴或耳朵时，该细胞却不会如此反应。
通向整个人形机械体的关键？
研究显示，一些细胞的活动与有意进行的手臂或眼部运动存在特定关联。在对手臂运动有选择性反应的细胞中，一些会对有意使用任一手臂的动作作出反应，另一些则只对有意使用右臂而非左臂的动作（或反之）作出反应。作者表示，代表任一只手的信息可能有助于控制需要双手参与的动作。这也意味着，这些信号或许能够控制带有多个肢体的机械接口。
这些信号也可能具有灵活性。想想我们如何使用形状和尺寸各异的手持工具——甚至包括会移动、因而控制方式不同的工具——来完成本质相同的动作并实现相同目标。 例如，我们可以用铅笔在纸上写下自己的名字，也可以用树枝在沙地上写。动作目标相同，但实现目标所用的工具不同。
要做到这一点，控制系统必须能够适应工具和环境不断变化的特性。通过记录那些似乎反映行动意图的细胞活动，所获取的信息或许同样具有可变性。这可能是利用同一组脑信号控制多种设备、完成各类动作的关键。
《星球大战》影迷会记得《帝国反击战》中的一个场景：卢克·天行者第一次感受他新装的仿生手。虽然我们距离这一幕仍有很长的路要走，但对于那些大部分身体无法活动的患者而言，这项新进展是巨大的进步。它无疑也有望彻底改变这一领域的研究。
本文由 The Conversation合作发布。阅读 原文。本文的发布并不意味着世界经济论坛认同其中的观点。
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作者：肯·瓦尔耶（Ken Valyear），班戈大学认知神经科学讲师。
图片：越战老兵弗雷德·唐斯在模块化假肢手臂技术演示中竖起大拇指。路透社/凯文·拉马克。
